康潔萍

（青島市消防救援支隊(duì)嶗山區(qū)大隊(duì)，山東 青島 266000）

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的飛速發(fā)展，我國城市規(guī)模也不斷擴(kuò)大。目前，我國人口在500 萬以上的城市仍然在增加，人口在1000 萬及以上的超大規(guī)模城市也達(dá)到了近20 個(gè)[1]。在如此大規(guī)模的城市中，商用和民用建筑的規(guī)模也隨之?dāng)U大，以滿足人口承載的容量需求。但是，大型建筑不僅火災(zāi)安全隱患多，防火控制的難度也進(jìn)一步增大[2]。一方面，大型建筑內(nèi)樓層高、房間多、內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果火情發(fā)生在隱蔽區(qū)域很難及時(shí)發(fā)現(xiàn)。另一方面，大型建筑內(nèi)人員眾多、角色構(gòu)成復(fù)雜、生活習(xí)慣各異，也進(jìn)一步增加了火災(zāi)可能發(fā)生的隱患。最危險(xiǎn)的是，大型建筑的人員疏散也有很大難度，一旦發(fā)生火災(zāi)難以開展有效救援[3]。更令人擔(dān)憂的是，大型建筑無法采用常規(guī)方法防控火災(zāi)。在該局面下，智能防火系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，成為解決大型建筑防火問題的關(guān)鍵。這里的智能化一方面體現(xiàn)為多類傳感器的規(guī)?；褂?，另一方面體現(xiàn)為多類傳感器信息的繼承和決策智能輸出。該文以大型建筑火災(zāi)智能防控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為核心研究?jī)?nèi)容，開展具體的技術(shù)工作。

1 大型建筑整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)三維建模

對(duì)大型建筑的火災(zāi)防控來說，可以對(duì)防控對(duì)象進(jìn)行三維建模進(jìn)而對(duì)防控系統(tǒng)建模，形成準(zhǔn)確的防控策略。為了模擬火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)，需要充分了解火災(zāi)發(fā)生時(shí)的物理和化學(xué)特征?；馂?zāi)是一系列不同種類、不同屬性的物質(zhì)發(fā)生燃燒后形成的復(fù)雜的、綜合性的化學(xué)反應(yīng)，因?yàn)椴煌ㄖ镎w和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的差異性，火災(zāi)的蔓延速度特征、燃燒生成物特征、火焰特征都會(huì)有所差異。因此，對(duì)不同建筑有針對(duì)性地設(shè)計(jì)火災(zāi)防控系統(tǒng)，進(jìn)而通過仿真試驗(yàn)觀察火災(zāi)可能達(dá)到的強(qiáng)度，對(duì)精準(zhǔn)防控有重要意義。

對(duì)火災(zāi)防控系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)來說，不僅要對(duì)大型建筑包括其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確建模，還應(yīng)該準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)發(fā)生位置、火焰強(qiáng)度、煙霧濃度和環(huán)境溫度等環(huán)境信息。該文以大型公寓式民用住宅為例，就應(yīng)該對(duì)大型建筑整體、走廊、餐廳、廚房、臥室等內(nèi)部結(jié)構(gòu)都能進(jìn)行建模，并分析可能導(dǎo)致火災(zāi)發(fā)生和蔓延的電氣線路危險(xiǎn)。

首先，在對(duì)大型建筑整體及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模時(shí)，應(yīng)該遵循的3 個(gè)原則：質(zhì)量守恒原則、動(dòng)量守恒原則、能量守恒原則。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，物質(zhì)的總體質(zhì)量在燃燒前后保持守恒，得到如下的質(zhì)量守恒方程，也稱連續(xù)性方程，如公式（1）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，u為連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，物質(zhì)發(fā)生燃燒、迸射等連續(xù)性運(yùn)動(dòng)過程中保持動(dòng)量守恒，從而得到如下的動(dòng)量守恒方程，如公式（2）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，u為連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，f為連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生碰撞時(shí)受到的力，P為連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力張量。

大型建筑發(fā)生火災(zāi)后，在物質(zhì)燃燒的過程中，總體能量保持不變，從而得到能量守恒方程，如公式（3）所示。

式中：ρ為連續(xù)介質(zhì)的密度，U為單位質(zhì)量物質(zhì)所具有的內(nèi)能，u為連續(xù)介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)速度，f為連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中發(fā)生碰撞時(shí)受到的力，P為連續(xù)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)過程中的應(yīng)力張量，q為熱輻射形成的單位質(zhì)量大小、單位時(shí)間內(nèi)傳入的熱量分布函數(shù)。

根據(jù)上述原則，對(duì)一個(gè)公寓式大型民用建筑進(jìn)行三維建模，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 中，這一公寓式大型民用建筑是一個(gè)整體為二層的建筑，總建筑面積達(dá)到了1800 m2。上下兩層的建筑空間，單層高度統(tǒng)一為3.3 m。內(nèi)部各種功能空間分隔成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的單元，包括居住單元、活動(dòng)單元、餐飲單元和廚衛(wèi)單元等，各個(gè)單元都可以通過連廊進(jìn)行連接，形成建筑上的類總線型結(jié)構(gòu)。對(duì)公寓式大型民用建筑進(jìn)行實(shí)體結(jié)構(gòu)的三維建模，一方面可以明確大型建筑內(nèi)部的布局細(xì)節(jié)，另外，從三維空間給出了智能火災(zāi)防控系統(tǒng)的邊界。也就是說，由多個(gè)傳感器、傳輸線路、控制中心所構(gòu)成的火災(zāi)防控系統(tǒng)，就安裝在這個(gè)三維空間實(shí)體的內(nèi)部。這樣既圈定了火災(zāi)智能監(jiān)控系統(tǒng)的總體邊界，也基本劃定了各個(gè)傳感器所監(jiān)控和檢測(cè)的局部范圍。這樣就使火災(zāi)防控系統(tǒng)和所防控的真實(shí)場(chǎng)景之間形成了一一對(duì)應(yīng)。

2 大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)及模型參數(shù)設(shè)計(jì)

對(duì)圖1 中的公寓式大型民用建筑來說，該文所設(shè)計(jì)的火災(zāi)防控系統(tǒng)其空間分布以建筑的絕對(duì)區(qū)域和有效空間為限制，進(jìn)行獨(dú)立的網(wǎng)格劃分、危險(xiǎn)貨源的參數(shù)設(shè)計(jì)和傳感器配置。

不同類型的傳感器對(duì)可能發(fā)生的火災(zāi)參數(shù)有不同的檢測(cè)方式和反應(yīng)手段，但無論何種類型的傳感器，其測(cè)量和覆蓋范圍都是有限的。在火災(zāi)防控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，一方面需要傳感器數(shù)量足夠覆蓋整個(gè)防控區(qū)間，另一方面又希望盡可能地減少傳感器數(shù)量以減少系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。因此，將大型建筑的整個(gè)防控區(qū)間進(jìn)行網(wǎng)格劃分，形成不同傳感器分布的合理區(qū)域。同時(shí)，從仿真建模的角度看，網(wǎng)格劃分對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性也至關(guān)重要。如果網(wǎng)格的尺寸空間配置過大，就會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)精度低、防控仿真的結(jié)果不到位；如果網(wǎng)格的尺寸空間配置過小，就會(huì)導(dǎo)致仿真過程速度變慢，影響的防控效率。該文介紹的仿真環(huán)境網(wǎng)格邊長(zhǎng)大小的計(jì)算方法如公式（4）所示。

式中：ρ為環(huán)境中的氣體密度大小，c為環(huán)境中的空氣熱比率，T為建筑內(nèi)的環(huán)境溫度，g為中立加速度的大小，Q為火源的釋放速率大小。

按照上述計(jì)算，最終確定該文中網(wǎng)格大小的每個(gè)邊長(zhǎng)約0.1 m。

從上述公式傳遞的信息可以看出，仿真環(huán)境網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)立體單元格邊長(zhǎng)的大小設(shè)置，與火源有密切的聯(lián)系。只有確定火源的相關(guān)信息，才能得到網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)網(wǎng)格中的邊長(zhǎng)配置合理值。所以，在火災(zāi)防控的實(shí)際仿真過程中，都需要先對(duì)火源的信息進(jìn)行準(zhǔn)確地刻畫。同時(shí)，仿真網(wǎng)格邊長(zhǎng)的配置與環(huán)境中的氣體密度、燃燒發(fā)生后的空氣熱比率、環(huán)境溫度以及中立加速度等信息有關(guān)。

因?yàn)榛鹪葱畔⑹怯绊懢W(wǎng)格邊界設(shè)定最重要的因素，所以進(jìn)一步提出火源釋放速率的計(jì)算方法，其數(shù)學(xué)公式如公式（5）所示。

式中：Q為火源的釋放速率大??；a為火災(zāi)發(fā)生以后的蔓延系數(shù)；t為火災(zāi)發(fā)生以后的蔓延時(shí)間。

從公式（5）可以看出，火源大小和影響程度受到了釋放速度的影響，并且其與火源燃燒的強(qiáng)弱、波及的范圍、持續(xù)的時(shí)間有關(guān)?；鹪吹娜紵饔迷綇?qiáng)，蔓延范圍就越大，而火源物質(zhì)種類的特殊性，也會(huì)直接影響火源燃燒的持續(xù)時(shí)間。

為了使公寓式大型建筑內(nèi)部的火災(zāi)防控更智能，該文采用了4 種傳感器。感煙型傳感器可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生或懸浮在環(huán)境空間中的粉塵小顆粒即煙霧進(jìn)行檢測(cè)，此處采用的是離子型感煙傳感器。感光型傳感器可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)物質(zhì)因燃燒產(chǎn)生的光輻射進(jìn)行檢測(cè)。感溫型傳感器可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)物質(zhì)因燃燒產(chǎn)生的熱量即對(duì)應(yīng)溫度范圍進(jìn)行檢測(cè)。氣體型傳感器可以對(duì)火災(zāi)發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的氣體進(jìn)行檢測(cè)，如CO 等。

3 大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)的測(cè)試試驗(yàn)

為了驗(yàn)證公寓式大型建筑火災(zāi)防控系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性，對(duì)具有智能反饋意義的傳感器進(jìn)行火災(zāi)性能測(cè)試試驗(yàn)。試驗(yàn)過程在高度消防安全保障且無人的情況下進(jìn)行，以避免試驗(yàn)可能帶來的負(fù)面影響。

在試驗(yàn)過程中主要針對(duì)感煙型傳感器進(jìn)行，具體分為2 種情況：第一種情況，選取建筑內(nèi)的臥室空間單元，內(nèi)置火源可持續(xù)燃燒30 min 并產(chǎn)生煙霧，室內(nèi)配置感煙型傳感器。感煙型傳感器一般在濃度為15%以上會(huì)發(fā)出報(bào)警，如果室內(nèi)煙霧濃度持續(xù)升高，感煙型傳感器將會(huì)在100%的示數(shù)位置達(dá)到飽和。對(duì)臥室空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 中，橫軸為火源發(fā)生燃燒后的時(shí)間，時(shí)間間隔為50 s，一共測(cè)試到300 s 的位置；縱軸為感煙型傳感器測(cè)得的煙霧濃度的變化，最低值為0，最高值為100%。圖中黑色粗實(shí)線代表火源發(fā)生燃燒后，感煙型傳感器測(cè)得的煙霧濃度變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著火源的持續(xù)燃燒，臥室空間單元室內(nèi)的煙霧濃度持續(xù)升高，感煙型傳感器的檢測(cè)結(jié)果比較靈敏，大約在10 s 后，煙霧濃度變化曲線即開始迅速拉升，在2 s～3 s 達(dá)到15%的報(bào)警臨界值，感煙型傳感器即發(fā)出報(bào)警。隨著測(cè)量時(shí)間進(jìn)一步增加，在火源燃燒后的60s 左右，煙霧濃度變化曲線達(dá)到峰值的100%。在其后的時(shí)間內(nèi)，煙霧濃度變化曲線一直處于100%的飽和狀態(tài)。

圖2 臥室空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測(cè)試試驗(yàn)

測(cè)試過程的第二種情況，選取各個(gè)空間單元的連接部，即走廊的位置。為了縮小試驗(yàn)測(cè)試的影響范圍，截取了長(zhǎng)度為10 m 的一段走廊，走廊兩側(cè)共有6 個(gè)建筑單元，包括居住空間單元、活動(dòng)空間單元和廚衛(wèi)空間單元等。在這6 個(gè)建筑單元中的4 個(gè)單元內(nèi)，設(shè)置火源點(diǎn)燃，并敞開與連廊連接的門，以保證煙霧的流通。走廊空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測(cè)試試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。

圖3 中，橫軸為火源發(fā)生燃燒后的時(shí)間，時(shí)間間隔為50 s，一共測(cè)試到300 s 的位置；縱軸為感煙型傳感器測(cè)得的煙霧濃度的變化，最低值為0，最高值為100%。圖中黑色粗實(shí)線，火源發(fā)生燃燒后，感煙型傳感器測(cè)得的煙霧濃度變化曲線。從圖3 中可以看出，隨著走廊兩側(cè)4個(gè)空間單元內(nèi)火源的持續(xù)燃燒，走廊內(nèi)煙霧濃度變化曲線也不斷升高，反映也出現(xiàn)在10 s 后，其后先是相對(duì)快速拉升，然后逐漸變得平滑，到230 s 以后再次迅速拉升，直至達(dá)到100%，并在其后維持飽和狀態(tài)。與臥室空間單元的煙霧濃度曲線變化相比，走廊空間單元煙霧濃度達(dá)到100%的過程要慢的多，這與走廊空間單元內(nèi)空氣體量更大、流通性更好有關(guān)。這也說明，當(dāng)大型建筑火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如果火情發(fā)生在一個(gè)隱蔽的房間單元并且這個(gè)單元沒有配置監(jiān)控傳感器，等其影響到走廊后獲得火情預(yù)警，其速度會(huì)明顯滯后。

圖3 走廊空間單元內(nèi)的火災(zāi)防控測(cè)試試驗(yàn)

4 結(jié)論

大型建筑的火災(zāi)智能防控對(duì)小區(qū)乃至城市總體消防安全具有十分重要的意義。該文以公寓式大型民用建筑為例，進(jìn)行了智能火災(zāi)防控系統(tǒng)的相關(guān)研究。首先，在質(zhì)量守恒原則、動(dòng)量守恒原則、能量守恒原則的基礎(chǔ)上，對(duì)大型建筑進(jìn)行三維建模，勾勒出這次火災(zāi)防控系統(tǒng)的建筑實(shí)體邊界和內(nèi)部區(qū)域結(jié)構(gòu)。其次，對(duì)建筑整體進(jìn)行網(wǎng)格化處理，并給出火源煙霧濃度釋放測(cè)算公式，在火災(zāi)防控關(guān)鍵點(diǎn)位配置了四類傳感器，以達(dá)到火災(zāi)防控的智能性。最后，以系統(tǒng)中感煙型傳感器為對(duì)象展開性能測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：臥室空間單元和走廊空間單元的傳感器都可以有效地檢測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生并完成報(bào)警，相對(duì)來說，走廊空間單元的煙霧濃度變化更慢一些。